Transportsprozesse

Transportsprozesse bezeichnen die räumliche Verlagerung von Größen wie Masse, Energie oder Impuls in einem Medium aufgrund von Gradienten oder äußeren Feldern. Sie treten in Fluiden, Feststoffen und biologischen Systemen auf und sind grundlegend für Technik, Naturwissenschaften und Umweltfragen. Die Hauptformen sind der Massentransport, der Impuls- bzw. Strömungstransport und der Energiestrom.

Beim Massentransport dominiert Diffusion, d. h. die Bewegung von Teilchen infolge eines Konzentrationsgefälles. Die Fick’schen Gesetze beschreiben Verhältnis von Konzentrationsprofilen und Transportfluxen; bei Mehrkomponentensystemen wird oft das Maxwell-Stefan-Modell verwendet. Zusätzlich kann Massentransport durch Konvektion (bulk movement in Flüssigkeiten oder Gasen) erfolgen, bei der das Fluid selbst Transportträger ist.

Der Impuls- bzw. Strömungstransport hängt mit der Bewegung des Fluids zusammen und wird durch Viskosität beschrieben. Die Kehrseite der Medaille bildet die Reibung zwischen Fluidelementen, formal in den Navier–Stokes-Gleichungen verankert. Der Energiestrom umfasst Wärmeleitung nach Fourier’s Gesetz sowie Konvektion, die durch die Bewegung des Mediums bedingt ist.

In vielen Systemen treten Transportprozesse gleichzeitig auf, was zu gekoppelten Transportvorgängen führt. In porösen Medien spielen zusätzlich Druckunterschiede und Sorption eine Rolle; Darcy’s Gesetz dient dort oft als Grundlage für den Gas- und Flüssigkeitsdurchfluss.

Zur Charakterisierung werden Dimensionless Zahlen verwendet, etwa der Péclet-Zahl (Verhältnis von konvektivem zu diffusive Transport), die Reynolds-Zahl (Verhältnis von Trägheit zu Viskosität) sowie der Schmidt- bzw. Prandtl-Zahl (mengen- bzw. wärmebezogene Transporteigenschaften).

Anwendungsgebiete reichen von der Chemie- und Verfahrenstechnik über Umwelttechnik und Biologie bis hin zur Mikro- und Nanotechnologie.